探索Java NIO：究竟在哪些領域能大顯身手？揭秘原理、應用場景與官方示例代碼
一、NIO簡介
Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一個新的IO API，它提供了比傳統IO更高效、更靈活的IO操作。與傳統IO相比，Java NIO的優勢在于它支持非阻塞IO和選擇器（Selector）等特性，能夠更好地支持高并發、高吞吐量的應用場景。
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上圖是官方對NIO的說明，Java NIO 官方通常被稱為 New I/O（新I/O），但它也因其核心功能非阻塞 I/O 特性而常常被稱為 Non-blocking I/O（非阻塞 I/O）。這兩個術語在討論 Java NIO 時都是正確的，它們描述了 Java 中用于處理非阻塞 I/O 操作的機制。
二、Java I/O發展史
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Java IO（Input/Output）是Java語言中用于讀寫數據的API，它提供了一系列類和接口，用于讀取和寫入各種類型的數據。下面是Java IO發展史的簡要介紹：
- JDK 1.0（1996年） 最初的Java IO只支持字節流（InputStream、OutputStream）和字符流（Reader、Writer）兩種，基于阻塞式IO（BIO）模型。
- JDK 1.1（1997年） JDK 1.1引入了NIO（New IO）包，支持了緩存區（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更高效的IO操作方式，可以實現非阻塞式IO（NIO）模式。
- JDK 1.4（2002年） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也稱為Java NIO with buffers，提供了更強大的文件處理功能和更高效的IO操作。
- JDK 7（2011年） JDK 7引入了NIO.2的改進版——NIO.2 with Completion Ports，也稱為AIO（Asynchronous IO），支持異步IO方式，在處理大量并發請求時具有優勢。
三、NIO 的原理
1、核心概念
NIO 的核心概念是通道 (Channel)、緩沖區 (Buffer) 和選擇器 (Selector)。
- 通道（Channel）
通道是一個用于讀寫數據的對象，類似于Java IO中的流（Stream）。與流不同的是，通道可以進行非阻塞式的讀寫操作，并且可以同時進行讀寫操作。通道分為兩種類型：FileChannel和SocketChannel，分別用于文件和網絡通信。
- 緩沖區（Buffer）
在Java NIO中，所有數據都是通過緩沖區對象進行傳輸的。緩沖區是一段連續的內存塊，可以保存需要讀寫的數據。緩沖區對象包含了一些狀態變量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制數據的讀寫。
- 選擇器（Selector）
選擇器是Java NIO中的一個重要組件，它可以用于同時監控多個通道的讀寫事件，并在有事件發生時立即做出響應。選擇器可以實現單線程監聽多個通道的效果，從而提高系統吞吐量和運行效率。
2、原理分解
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p.s.通常我們看到的圖會有thread及client兩部分，不太好理解nio主要應用到多個網絡通信場景，所以把socketserver-->socketclient畫出來就更好理解了。
說到Java NIO大家都會想到上面這張圖，NIO應用程序的工作流程如下：
- 創建通道：打開一個或多個通道，例如FileChannel、SocketChannel等。
- 創建緩沖區：為每個通道創建一個或多個緩沖區，用于讀取或寫入數據。
- 注冊通道：將通道注冊到選擇器，以便選擇器可以監控這些通道的狀態。
- 選擇就緒通道：選擇器等待通道就緒事件，一旦有通道準備好進行I/O操作，選擇器將通知應用程序。
- 讀取/寫入數據：應用程序從通道讀取數據，或將數據寫入通道，使用緩沖區來傳輸數據。
其中
- 通道和緩沖區是一對一的關系。每個通道都有一個與之對應的緩沖區，用于存儲數據。
- 選擇器（Selector）可以同時監視多個通道的狀態。一個選擇器可以綁定多個通道，以實現多路復用。
3、代碼示例
在jdk的安裝包里，這個路徑JAVA_HOME/sample我們可以找到nio相應的示例代碼。
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3.1、簡單操作
對于簡單的文件操作，通常不需要使用選擇器。傳統的文件I/O操作（如文件讀取和寫入）可以通過FileChannel等通道進行，但它們不涉及到多路復用，因為文件讀寫通常是同步的，不需要監視多個通道的狀態(如下面demo中的：inChannel.read(byteBuffer)本身還是一個阻塞的方法)。在這種情況下，選擇器并不提供額外的好處。
以下是一個簡單的Java NIO示例，演示如何從文件中讀取數據并打印到控制臺：
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class NIOReadFileExample {
public static void main(String[] args) {
// 創建通道，使用 try-with-resources 語句自動關閉資源
try (FileInputStream inputStream = new FileInputStream("source-file-path");
FileChannel inChannel = inputStream.getChannel()) {
// 創建一個緩沖區
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 使用 while 循環讀取文件中的所有數據
while (inChannel.read(byteBuffer) != -1) {
// 切換到讀模式
byteBuffer.flip();
// 讀取緩沖區中的數據
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println(new String(bytes));
// 清空緩沖區
byteBuffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}在這個示例中，我們首先打開一個文件通道，然后創建一個ByteBuffer來讀取數據。我們使用read()方法從文件通道讀取數據到緩沖區，然后使用flip()方法切換到讀模式，遍歷緩沖區并打印數據。最后，我們使用clear()方法清空緩沖區，切換到寫模式，以便繼續讀取數據。最后，我們關閉通道以釋放資源。這是一個簡單的示例，實際應用中可能需要更多的錯誤處理和完善。
Java NIO的使用流程通常包括以下步驟：
- 打開通道（Channel）：首先，你需要打開一個通道，可以是文件通道、套接字通道等。這通常通過FileChannel.open()或SocketChannel.open()等方法實現。
- 創建緩沖區（Buffer）：接下來，創建一個或多個緩沖區，用于在通道和應用程序之間傳輸數據。常見的緩沖區包括ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等。使用ByteBuffer.allocate()或ByteBuffer.allocateDirect()來創建緩沖區。
- 讀取/寫入數據：使用通道的read()方法來從通道讀取數據到緩沖區，或使用write()方法將數據從緩沖區寫入通道。對于套接字通道，你可以通過網絡發送或接收數據。
- 緩沖區操作：對緩沖區進行操作，例如讀取或寫入數據。你可以使用get()方法來獲取數據，使用put()方法來寫入數據。
- 切換緩沖區：在讀取數據后，通常需要切換緩沖區的讀模式（flip），然后開始從緩沖區讀取數據。同樣，在寫入數據后，切換緩沖區的寫模式（flip）。
- 關閉通道：當操作完成后，關閉通道以釋放資源，使用通道的close()方法來實現。
3.2、多個網絡通信
對于簡單的文件操作，通常不需要使用選擇器。傳統的文件I/O操作（如文件讀取和寫入）可以通過FileChannel等通道進行，但它們不涉及到多路復用，因為文件讀寫通常是同步的，不需要監視多個通道的狀態。在這種情況下，選擇器并不提供額外的好處。
在官方jdk中的exaples中我們可以看到Server有5個子類
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- B1：阻塞式單線程服務器
Blocking/Single-threaded Server
B1一個阻塞式單線程服務器，在完全服務于一個連接之前不會移動到下一個連接。一個線程來處理所有客戶端請求。當等待來自客戶端的數據或向客戶端寫入數據時，服務器將阻塞。這意味著服務器一次只能處理一個客戶端請求。
這種類型的服務器簡單易于實現，但可擴展性差。這是因為服務器一次只能處理一個客戶端請求。如果有許多客戶端請求數據，服務器將無法快速響應所有請求。
- BN：阻塞式多線程服務器
Blocking/Multi-threaded Server
一個阻塞式多線程服務器，為每個連接創建一個新線程。
服務器將創建多個線程來處理客戶端請求。當一個客戶端連接到服務器時，服務器使用一個線程來處理該客戶端的請求。
這種類型的服務器比阻塞式單線程服務器具有更好的可擴展性，但它仍然不是非常有效率，因為每個連接都需要一個單獨的線程。對于大量連接來說，這會導致大量的線程開銷。
- BP：阻塞式線程池服務器
Blocking/Pooled-thread Server一個多線程服務器，為服務器使用創建一個線程池。線程池決定如何調度這些線程。服務器將創建一個線程池來處理客戶端請求。當一個客戶端連接到服務器時，服務器將從線程池中獲取一個線程來處理該客戶端的請求。當請求處理完畢后，該線程將關閉連接并返回到線程池。
- N1：非阻塞式單線程服務器
Nonblocking/Single-threaded Server
一個非阻塞式單線程服務器。所有 accept() 和 read()/write() 操作都由一個線程執行，但僅在被 Selector 選中執行這些操作后才執行。服務器將使用 Selector 來監控多個通道的就緒狀態。當一個通道就緒時，服務器將從該通道讀取數據或向該通道寫入數據。
- N2：非阻塞式雙線程服務器
Nonblocking/Dual-threaded Server
一個非阻塞式雙線程服務器，在一個線程中執行 accept() 操作，在另一個線程中處理請求。這兩個線程都使用 select() 函數。
以下是SocketServer、SocketClient示例代碼
SocketServer
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* @Author: Hanko
* @Date: 2023-10-12 17:42
*/
public class SelectorServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 創建一個服務器套接字通道
ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 將服務器套接字通道綁定到指定端口
socketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
// 將服務器套接字通道設置為非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 創建一個緩沖區
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 創建一個選擇器
Selector selector = Selector.open();
// 將服務器套接字通道注冊到選擇器上，監聽連接事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 循環判斷通道已準備好進行I/O操作
while (selector.select() > 0) {
// 獲取所有發生的SelectionKey
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
// 遍歷所有SelectionKey
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
// 獲取當前SelectionKey
SelectionKey key = iterator.next();
// 判斷當前鍵的通道是否準備好接收socket連接
if (key.isAcceptable()) {
// 接受客戶端連接
SocketChannel sc = socketChannel.accept();
// 將客戶端連接通道設置為非阻塞模式
sc.configureBlocking(false);
// 將客戶端連接通道注冊到選擇器上，監聽讀事件
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 判斷當前key的通道是否準備好讀取操作
} else if (key.isReadable()) {
// 獲取當前key的通道
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 從通道中讀取數據到緩沖區
int len = 0;
while ((len = channel.read(buffer)) > 0) {
// 將緩沖區切換為讀模式
buffer.flip();
// 打印緩沖區中的數據
System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
// 將緩沖區重置為寫模式
buffer.clear();
}
}
// 移除當前事件
iterator.remove();
}
}
}
}SocketClient
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 獲取通道、綁定主機和端口
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8888));
// 切換到非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 創建Buffer寫入數據
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 將當前時間寫入緩沖區
buffer.put(new Date().toString().getBytes());
// 將緩沖區切換為寫模式
buffer.flip();
// 將數據寫入通道
socketChannel.write(buffer);
// 關閉通道
socketChannel.close();
}四、NIO 的應用場景
NIO 適用于以下場景：
- 網絡通信：NIO 可以用于開發高并發的網絡應用，例如 Web 服務器、游戲服務器等。
- 文件操作：NIO 可以用于開發高性能的文件操作應用，例如文件傳輸、文件壓縮等。
- 進程間通信：NIO 可以用于實現進程間通信，例如共享內存、管道等。
- 數據庫操作：NIO 可以用于提高數據庫操作的性能，例如批量插入、批量查詢等。
1、在業務中的應用
- 聊天服務器：使用 NIO 來建立和維護多個客戶端連接，并高效地處理客戶端請求。
- 文件傳輸：使用 NIO 來高效地傳輸大文件。
- 數據庫操作：使用 NIO 來批量插入或查詢數據，提高數據庫操作的性能。
2、在框架中的應用
- Netty
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這是一個基于java nio實現的高性能、高可靠性的網絡框架，它提供了一系列的組件和工具，用于構建異步、事件驅動的網絡應用。Netty被廣泛應用在互聯網、大數據、游戲、通信等領域，一些著名的開源項目如Dubbo、Zookeeper、RocketMQ、Elasticsearch等都基于Netty構建 。
- Mina
這是一個基于java nio實現的輕量級網絡框架，它支持TCP、UDP、SSL等協議，以及多種編解碼器和過濾器。Mina可以用于開發高性能的網絡服務器和客戶端，一些開源項目如Apache Directory Server、Apache James等都使用了Mina 。
- Jetty
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這是一個基于java nio實現的Web服務器和Servlet容器，它支持HTTP/2、WebSocket等協議，以及反應式編程模型。Jetty可以嵌入到其他應用中，提供Web服務和Web界面，一些開源項目如Eclipse、Hadoop等都使用了Jetty 。
五、優缺點
1.NIO 的優勢
NIO 相對于傳統 IO 具有以下優勢：
- 提高并發性：NIO 可以使用多路復用器來監聽多個通道的事件，提高并發性。
- 提高性能：NIO 支持非阻塞 IO，可以提高性能。
- 簡化編程：NIO 的 API 更加簡潔，易于理解和使用。
2.NIO 的缺點
NIO 相對于傳統 IO 具有以下缺點：
- 學習成本較高：NIO 的概念和 API 與傳統 IO 不同，學習成本較高。
- 不兼容性：NIO 與傳統 IO 存在不兼容性，需要注意兼容性問題。
為什么NIO沒有廣泛的被推廣起來呢？
- 復雜性：相對于傳統的阻塞式I/O，Java NIO 的編程模型更加復雜。它需要開發人員處理事件、緩沖區管理、選擇器等概念，這可能會增加學習曲線，尤其是對于新手來說。
- 性能優勢局限：Java NIO 在高并發和高吞吐量的場景下可以提供性能優勢，但對于許多常規應用程序而言，傳統的阻塞式I/O 已經足夠了。只有需要處理大量并發連接或需要高度定制化的網絡通信時，Java NIO 才會顯得更有價值。
- 第三方庫的競爭：有一些第三方庫和框架，如Netty和Apache MINA，構建在Java NIO 之上，提供了更易于使用的高性能網絡通信解決方案。這些庫可能更容易推廣，而不是直接使用Java NIO。
- 歷史原因：許多早期的Java應用程序是基于傳統的阻塞式I/O構建的，而且遷移到Java NIO 可能需要重寫或修改現有的代碼。這使得許多遺留應用程序不愿意切換到新的I/O模型。
